CN100585180C - 一种基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压泵制造和控制技术，涉及对单向阀的改进，以及对压电陶瓷的主动控制。该泵包括增压机构，吸油油路，压缩腔，排油油路。其中增压机构采用智能材料压电陶瓷作为换能机构高频震动，以一定的运动规律推动活塞直接驱动压缩腔，同时使活塞上的单向阀处于非惯性状态，这使得连接在吸油油路和排油油路中的单向阀在惯性力的作用下有规律的开合，而不被油液粘滞住，从而突破了普通单向阀不能在高频(＞300Hz)情况下工作的瓶颈，使压电陶瓷的频率高，输出力大的特点得以运用到液压泵的制造上来。

Description

一种基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵

技术领域

本发明属于液压泵制造和控制技术，涉及对单向阀的改进，以及对压电陶瓷的主动控制。

背景技术

目前，在工程机械、起重运输、冶金、航空航天、船舶等领域广泛的应用体积小、结构紧凑、控制精度高的液压泵。在无人驾驶飞机、导弹、及航天器等先进飞行器中开始使用电传操纵系统来控制舵面及其他的机构，而电传操纵系统中采用的固液一体化舵机需要有一种体积小、能量密度高的液压泵来代替传统的发动机带动中心泵提供高压油源的方式。随着压电陶瓷技术的不断进步，我们得以将压电陶瓷应用于给油液增压。液压往复泵在工作的每个周期通常需要一个变化的容腔和正确变化的油路，普通工业上的往复泵的油路是由单向阀来改变油路的，那是由于普通泵的工作频率不高，单向阀在低频条件下可以正常的工作，而压电陶瓷往复泵工作在高频情况下，这时若采用普通的单向阀必然会因为单向阀响应不了压电陶瓷的工作频率而无法正常工作。我们课题组提出了两种解决方案，一种是利用压电陶瓷来驱动换向阀来改变油路(见专利《一种压电陶瓷组合泵》)，另外的一种方法是本项专利提出的利用惯性力来提高单向阀工作频率的结构和方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种体积小，能量密度高，结构紧凑简单，工作频率高的小型液压泵。

本发明的技术方案是：一种基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵，其硬件主要包括：压电陶瓷，隔膜活塞，单向阀，控制电路，其特征在于，压电陶瓷在将电能转换成位移输出，驱动压缩腔工作的同时，还精确的控制活塞的位置、速度和加速度；单向阀安装在活塞上，处于一个非惯性系下，通过控制非惯性系的加速度可以将惯性力施加在阀芯上，从而迫使阀芯在高频条件下开合工作。活塞通过金属隔膜给压缩腔增压，有效地解决了泄露问题。金属隔膜同时在压电陶瓷收缩的时候起到顶回活塞的作用。

给压电陶瓷的控制信号为一个特殊的周期信号，每个周期的信号在前半周期使压电陶瓷伸长在后半周期使压电陶瓷缩短。在压电陶瓷换向的时候利用特殊的控制波型使活塞在短行程内具有较大的某个方向的加速度，从而利用惯性力迫使阀芯在高频情况下开合工作。在对压电陶瓷的输入电压上，考虑到压电陶瓷对电压的滞环效应，以及温度对压电陶瓷的影响，对输入电压做主动的实时修正，以保证控制的精度。

本发明的优点是：与普通的小型液压泵相比，在相同的功率下体积更小，能量密度更高，高频工作频率快，控制流量方便；与以前的压电陶瓷泵相比，由于引入了惯性力开启单向阀，节省了一个专门开启高频换向阀的压电陶瓷。特别是其利用270V左右的电压可以直接驱动的特点使其在航空领域的应用相当方便。此外在低频工作时可以精确的控制流量的大小，可以一定程度上代替医学中的微量泵。

附图说明

图1是基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵的结构图。

图2是活塞的三视图

图3是活塞上高频惯性单向阀的原理图

图4是每个周期的控制信号加在压电陶瓷上后，活塞的位移-时间、速度-时间、加速度-时间关系图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本液压泵在硬件上主要包括：增压机构，利用压电陶瓷较大的输出力和高频特性准确控制活塞的位置速度和加速度，以达到给压缩腔增压和控制单向阀开合的目的；吸油油路，连接低压油源和压缩腔，靠串接在其中的高频单向阀来控制通断，以保证每个周期的吸油动作能正常实现；压缩腔，一个周期变化容积的腔体，是泵所必需的一个要素；排油油路，连接高压蓄能器和压缩腔，靠串接在其中的高频单向阀来控制通断，以保证每个周期的压油动作能正常实现。

其中增压机构主要包括：压电陶瓷4，它将电能转换成位移输出，驱动压缩腔10工作，同时精确的控制活塞11的位置、速度和加速度；泵体6，给压电陶瓷4起到支撑的作用；调节螺母5，其螺纹为细牙螺纹，用来调节压电陶瓷4的位置和预应力。

其中的吸油油路，主要包括：吸油油路接口7，用于方便地连接低压油源波纹管8，用于连接震动的活塞11与泵体6间的油路；吸油单向阀9，活塞上共有两个吸油单向阀，它们起到将油源的低压油送入到压缩腔10而不让压缩腔10的油流回油源，当其中一个单向阀故障堵塞时不影响另一个的正常工作，从而实现该环节的备份。

其中的压缩腔10，主要是指：泵盖12，垫片1，金属隔膜14形成了一个密闭的容腔，金属隔膜14的微小形变造成了容腔10体积的变化，使增压成为了可能。泵盖12的作用除了构成压缩腔10的一部分外还起到夹持金属隔膜14的作用，垫片1主要用来密封和调整压缩腔10的大小。金属隔膜14的使用避免了考虑高频运动下复杂的密封和润滑，避免了传统活塞的泄漏，同时金属隔膜14的恢复力可以将活塞11紧紧地压在压电陶瓷4前端，起到了恢复弹簧的作用。

其中的排油油路，主要包括：排油油路接口3，用于方便地连接蓄能器；波纹管2，用于连接震动的活塞11与泵体6间的油路；排油单向阀13，活塞11上共有两个排油单向阀，它们起到将压缩腔10的油送入到蓄能器而不让蓄能器的油流回压缩腔10，当其中一个单向阀故障堵塞时不影响另一个的正常工作，从而实现该环节的备份。

下面详细介绍一个周期中给压电陶瓷4加上经过主动修正后的电压信号后泵的工作情况，具体将一个周期分为六个阶段，如图4所示，假设泵如图1般放置。

第I个阶段，吸油单向阀9和排油单向阀13的阀芯17由于弹簧16的作用都处于关闭状态，活塞11初速度为零，在初始位置上开始以加速度a向左运动，以活塞为参考系阀芯受到向右的惯性力F，以及两边油液压强差形成的压力P，和油液的粘滞阻力T，弹簧16弹力N，当F+P＞T±N时，阀芯受到的合力向右，于是吸油单向阀9的阀芯被紧紧地压在阀腔的右端保持闭合状态，排油单向阀13的阀芯开始向右运动，让排油单向阀打开。该阶段结束时活塞11的速度为V，而活塞11与各阀芯的相对速度为零。

第II个阶段，活塞11保持速度V匀速向左运动，此时吸油单向阀9保持闭合状态，排油单向阀13保持打开状态，活塞11推动隔膜14将压缩腔10里的油压到排油接口3至蓄能器。

第III、IV两个阶段，活塞11先以-a的加速度继续向左运动，当速度减为零到达左死点后以a的加速度向右运动，这两个过程中以活塞11为参考系，阀芯均受到向左的惯性力F，以及两边油液压强差形成的压力P，和油液的粘滞阻力T，弹簧弹力N，当F+P＞T-N时，排油单向阀13阀芯受到的合力向左，先闭合，当F+P＞T+N时，吸油单向阀9阀芯受到的合力向左，开始打开。

第V个阶段，活塞11保持速度V匀速向右运动，此时吸油单向阀9保持打开状态，排油单向阀13保持闭合状态，隔膜14的恢复力将活塞11往右推时压缩腔10扩大，油源的低压油通过吸油单向阀9被吸入压缩腔10。

第VI、I个阶段，活塞11以-a的加速度继续向右运动，直到速度减为零到达右死点，又以a的加速度向左作匀加速运动，从而又重复第I个阶段的运动，这两个阶段和第III、IV两个阶段正好相反，吸油单向阀9先闭合，排油单向阀13再打开，为第2个周期的第II个阶段做好了准备。

Claims (2)

1、一种基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵，其硬件主要包括：压电陶瓷，隔膜活塞，单向阀，控制电路，其特征在于：

压电陶瓷在将电能转换成位移输出，驱动压缩腔工作的同时，还精确的控制活塞的位置、速度和加速度；

单向阀安装在活塞上，处于一个非惯性系下，通过控制非惯性系的加速度可以将惯性力施加在阀芯上，从而迫使阀芯在可高频条件下开合工作；

活塞通过金属隔膜给压缩腔增压，有效地解决了泄露问题，金属隔膜同时在压电陶瓷收缩的时候起到顶回活塞的作用。

2、根据权利要求1所述的基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵，其特征在于：

增压机构，利用压电陶瓷较大的输出力和高频特性准确控制活塞的位置速度和加速度，以达到给压缩腔增压和控制单向阀开合的目的；吸油油路，连接低压油源和压缩腔，靠串接在其中的高频单向阀来控制通断，以保证每个周期的吸油动作能正常实现；压缩腔，一个周期变化容积的腔体，是泵所必需的一个要素；排油油路，连接高压蓄能器和压缩腔，靠串接在其中的高频单向阀来控制通断，以保证每个周期的压油动作能正常实现；

其中增压机构主要包括：压电陶瓷(4)，它将电能转换成位移输出，驱动压缩腔(10)工作，同时精确的控制活塞(11)的位置、速度和加速度；泵体(6)，给压电陶瓷(4)起到支撑的作用；调节螺母(5)，其螺纹为细牙螺纹，用来调节压电陶瓷(4)的位置和预应力；

其中的吸油油路，主要包括：吸油油路接口(7)，用于方便地连接低压油源；波纹管(8)，用于连接震动的活塞(11)与泵体(6)间的油路；吸油单向阀(9)，活塞上共有两个吸油单向阀，它们起到将油源的低压油送入到压缩腔(10)而不让压缩腔(10)的油流回油源，当其中一个单向阀故障堵塞时不影响另一个的正常工作，从而实现该环节的备份；

其中的压缩腔(10)，主要是指：泵盖(12)，垫片(1)，金属隔膜(14)形成了一个密闭的容腔，金属隔膜(1 4)的微小形变造成了容腔(10)体积的变化，使增压成为了可能，泵盖(1 2)的作用除了构成压缩腔(10)的一部分外还起到夹持金属隔膜(14)的作用，垫片(1)主要用来密封和调整压缩腔(10)的大小，金属隔膜(14)的使用避免了考虑高频运动下复杂的密封和润滑，避免了传统活塞的泄漏，同时金属隔膜(14)的恢复力可以将活塞(11)紧紧地压在压电陶瓷(4)前端，起到了恢复弹簧的作用；

其中的排油油路，主要包括：排油油路接口(3)，用于方便地连接蓄能器；波纹管(2)，用于连接震动的活塞(11)与泵体(6)间的油路；排油单向阀(13)，活塞(11)上共有两个排油单向阀，它们起到将压缩腔(10)的油送入到蓄能器而不让蓄能器的油流回压缩腔(1 0)，当其中一个单向阀故障堵塞时不影响另一个的正常工作，从而实现该环节的备份；

在基于压电陶瓷的高频惯性单向阀液压泵工作过程中需要相应的控制信号，其特征在于：

控制信号为一个特殊的周期信号，每个周期的信号在前半周期使压电陶瓷伸长，在后半周期使压电陶瓷缩短，在压电陶瓷换向的时候利用特殊的控制波形使活塞在短行程内具有较大的某个方向的加速度，使活塞上的单向阀处于非惯性状态，从而利用惯性力迫使阀芯在高频情况下开合而工作；

在对压电陶瓷的输入电压上，考虑到压电陶瓷对电压的滞环效应，以及温度对压电陶瓷的影响，对输入电压作主动的实时修正，以保证控制的精度。

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